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        煤炭鐵路沿線粉塵污染監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

        2021-04-22 02:11:36謝青龍
        科技經(jīng)濟導(dǎo)刊 2021年10期
        關(guān)鍵詞:增強型功耗數(shù)據(jù)包

        謝青龍

        (神華新朔鐵路有限責(zé)任公司通信技術(shù)分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

        煤炭一直是我國的主要能源,并在一段時期內(nèi)保持這種狀態(tài)。煤炭化工、火電廠都靠這種不可再生資源維持,但是我國的煤炭儲量分布不均,主要產(chǎn)地集中在西北內(nèi)陸地區(qū),但煤炭的需求量卻恰恰相反,東部沿海等經(jīng)濟發(fā)達省份對電能的需求巨大,同時煤化工重點企業(yè)也在東部。這就不可避免地需要長途運輸煤炭,鐵路成為首選途徑。在運輸過程中,由于鐵路提速,以及沿途的風(fēng)力情況,都會造成煤炭揚塵,不僅污染了環(huán)境,還給運輸企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。目前我國內(nèi)蒙、山西等地已經(jīng)建立起多條煤炭運輸專線,成功實現(xiàn)了煤炭產(chǎn)出大省向全國以及港口的運輸。通過鐵路運輸?shù)拿禾?,每年達到幾億噸,由于揚塵損失的煤炭不可估量,但是最嚴重的還是揚塵帶來的環(huán)境污染。本文將針對鐵路揚塵的特點,研究一套PM2.5粉塵監(jiān)測系統(tǒng)。

        1.系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)點

        21世紀我國鐵路經(jīng)歷了幾次大提速,大大增強了鐵路運力,目前的行駛速度幾乎達到原來的2倍。這無形中增加了煤炭揚塵的嚴重性。雖然近年來鐵路沿線綠化程度有所加強,但是并沒有實現(xiàn)與農(nóng)田,或其他民用設(shè)施的完全隔離。煤炭運輸專線附近,土壤和河流都受到不同程度的污染,給人民群眾的生活和健康帶來很大威脅。

        同時,在一些通風(fēng)不暢的封閉環(huán)境,例如隧道等,揚塵帶來的煤粉無法迅速擴散濃度會不斷加大,當(dāng)達到一定濃度的時候,遇到鐵路上產(chǎn)生的電火花,不可避免地產(chǎn)生爆炸,對鐵路安全運行帶來極大威脅。

        隨著空氣污染的加劇,與顆粒物污染有關(guān)的過早死亡人數(shù)達到年均兩百萬人。美國相關(guān)部門也對大氣污染對人類的影響作出了調(diào)查:PNAS(美國國家科學(xué)院院刊)發(fā)布聲明,指出人類因空氣污染,其平均壽命已減少了五年半之多。國際癌癥研究機構(gòu)(隸屬于世界衛(wèi)生組織)發(fā)布公告,公告清楚地指出大氣污染會誘導(dǎo)人類獲得癌癥,并將大氣污染列為主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。在高濃度顆粒物下長期暴露會導(dǎo)致一系列的呼吸系統(tǒng)疾病與心血管相關(guān)疾病甚至是肺癌。PM2.5因為其體積小,傳輸距離遠,空中滯留時間長,所以它能夠吸附更多的重金屬元素和有毒物質(zhì),人們吸入PM2.5將會大幅增加致癌、發(fā)育畸形,導(dǎo)致突變的概率。

        綜上所述,我們研究PM2.5就是為了從根本上對它進行防治,因為它對鐵路運輸安全、環(huán)境污染、人體健康帶來極大的危害,還能夠擾亂大氣氣候形成極端天氣。研究PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng),能夠?qū)M2.5進行實時監(jiān)測,對采集到的PM數(shù)據(jù)進行分析處理,從而得知該地區(qū)的PM2.5污染情況,這樣就能夠針對該地區(qū)的特點,對PM2.5超標(biāo)的現(xiàn)象進行治理。如果相鄰的地區(qū)也應(yīng)用PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)的話,那么會形成塊區(qū)域聯(lián)合治理的現(xiàn)象,也就是說能夠更好地治理PM2.5,在結(jié)合風(fēng)向等天氣因素甚至能夠做到PM2.5局部性的預(yù)測。對于PM2.5的治理和防治具有重要意義。

        2.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

        圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        本PM2.5污染物監(jiān)測分析系統(tǒng)基于SDS011 PM2.5傳感器,采用激光散射原理測量PM2.5和PM10濃度,數(shù)據(jù)實時性高,可靠性強,數(shù)字化輸出。如圖1所示,系統(tǒng)核心采用STM32F103RCT6。PM2.5傳感器通過導(dǎo)線連接到STM32的USART3引腳上,而STM32通過USART中斷將PM2.5和PM10的數(shù)據(jù)包接收并校驗,經(jīng)過計算得到真正的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)通過LED屏進行實時顯示,方便觀測人員在室外進行實時的數(shù)據(jù)觀測。與此同時2.4G無線模塊NRF24L01+將PM數(shù)值實時傳送到與PC相連的另一個NRF24L01+和USB to TTL模塊上,進而將PM數(shù)值傳給PC上的MFC上位機進行處理。

        2.2 STM32 處理器模塊

        STM32系列為以ARM Cortex-M3為內(nèi)核地滿足高性能、低功耗、低成本的SOC,它是嵌入式開發(fā)的絕佳選擇之一。STM32 F系列分為:基本型、增強型、互聯(lián)型。其中,基本型擁有36MHZ的時鐘頻率,是以16位MCU的價格得到32位性能大幅提升的MCU的高性價比產(chǎn)品;增強型擁有高時鐘頻率(72MHZ),與同類產(chǎn)品相比擁有最高的性價比;基本型和增強型都包含32K到128K的程序存儲器,區(qū)別在于外設(shè)接口的配備和SRAM的容量值。當(dāng)選擇72MHZ時,從程序存儲器執(zhí)行代碼,STM32僅消耗36mA的功耗。

        ARM Cortex-M3是ARM系列中最高性價比的處理器,它為緊湊的資源、要求低功耗的項目提供了完整的解決方案,同時還擁有快速的計算能力和中斷快速響應(yīng)的能力。滿足實時性的要求。為實時性要求高的項目設(shè)計提供了極大的便捷和無限的可能。ARM Cortex-M3屬于RISC 32位的處理器類型。而且它代碼效率極高,在8位和16位的存儲空間里同樣能夠發(fā)揮ARM內(nèi)核的優(yōu)點。而且,STM32F103XC/XD/XE增強型因為其核心為ARM核,所以它也能夠用ARM公司提供的各種開發(fā)軟件進行項目開發(fā)。

        2.3 PM2.5 傳感器模塊

        SDS011通過激光散射原理,能夠檢測出大氣中細顆粒物的濃度,精度高達0.3-10微米。SDS011數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,采用進口激光器與感光部件進行細顆粒物檢測。產(chǎn)品內(nèi)置風(fēng)扇,提高檢測效率,避免誤差。采用數(shù)字化輸出,使得數(shù)據(jù)便于后期處理分析。擁有很高的集成度,在體積很小的情況下就能夠集成PM2.5和PM10的檢測。

        SDS011的功能:采用激光檢測,誤差率低、一致性好,輸出數(shù)據(jù)精準;擁有快速的反應(yīng),當(dāng)場景發(fā)生變換時,其響應(yīng)時間小于等于十秒;自帶風(fēng)扇,采用串口輸出,方便與單片機、PLC連接,而且輸出可定制,集成度極高;精度極高,能夠檢測大氣中0.3-10微米的細顆粒物,測量范圍廣。

        2.4 NRF24L01無線通信模塊

        NRF24L01的特點較為明顯,它有著極低的功耗:當(dāng)它以-6dbm工作在發(fā)射模式下,其電流僅消耗9mA,當(dāng)它工作在接收模式下,其電流僅消耗12.3mA。如果想要更低的功耗,則可以考慮掉電模式和待機模式。

        當(dāng)NRF工作在增強型的Shock Burst模式下,且MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,NRF就會轉(zhuǎn)為Shock Burst模式來發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)送完畢后,NRF立刻轉(zhuǎn)換為接收模式(為了等待接收應(yīng)答信號),如果沒有接收到應(yīng)答信號,NRF會重新發(fā)送此數(shù)據(jù)包?;蛘弋?dāng)重發(fā)次數(shù)超出一定值(SETUP_RETR_ARC中設(shè)置的值)則報錯并中斷。反之,當(dāng)NRF接收到了應(yīng)答信號,就認為發(fā)送數(shù)據(jù)成功,清空發(fā)送緩存區(qū),并產(chǎn)生一個發(fā)送成功的中斷。在增強型Shock Burst模式下,NRF的這些特點較為突出:一是功耗低,當(dāng)NRF工作在應(yīng)答模式時,啟動時間短,傳輸速度快,降低了功耗。二是碰撞現(xiàn)象少。因為空中傳輸速度極快,所以產(chǎn)生碰撞的幾率很小。三是成本低廉。NRF不需要單片機上有SPI接口,因為也可以用IO口來模擬SPI的功能。而且本身已經(jīng)集成了自動重發(fā)丟包和接收應(yīng)答信號,所以極大地節(jié)約了項目開發(fā)成本。四是開發(fā)方便。因為芯片上集成了鏈路層,所以在軟硬件的開發(fā)上十分方便。五是正確率高。因為采用了數(shù)據(jù)包識別和CRC校驗,保證了發(fā)送接收的每個包都是正確的和完整的。NRF中每包數(shù)據(jù)包括兩位PID值用來辨識。接收方接收到的數(shù)據(jù)包PID值若和上一個數(shù)據(jù)包PID值相同,則比較前后兩個包的CRC值,如果CRC值相同,則說明這是一個重發(fā)的數(shù)據(jù)包而丟棄。NRF每取得一個新的數(shù)據(jù)包,則PID值加1。

        3.結(jié)語

        我國的煤炭儲量分布不均,主要產(chǎn)地集中在西北內(nèi)陸地區(qū),但煤炭的需求量卻恰恰相反,這就不可避免地需要長途運輸煤炭,鐵路成為首選途徑。由于鐵路提速等因素影響,運輸過程中的揚塵情況進一步加劇,本論文針對污染監(jiān)測需求,設(shè)計了鐵路粉塵監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了PM2.5的實時監(jiān)測。

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